Utilizzando lo spettropolarimetro SPIRou sul telescopio Canada-Francia-Hawaii alle Hawaii, un team guidato da Stefan Pelletier, uno studente di dottorato presso l'Institute for Research on Exoplanets (iREx) dell'Université de Montréal, ha studiato l'atmosfera dell'esopianeta gigante gassoso Tau Bootis b, un mondo rovente che impiega solo tre giorni per orbitare attorno alla sua stella ospite.

La loro analisi dettagliata, presentato in un articolo pubblicato oggi sul Giornale Astronomico , mostra che l'atmosfera del pianeta gassoso contiene monossido di carbonio, come previsto, ma sorprendentemente niente acqua, una molecola che si pensava fosse prevalente e che avrebbe dovuto essere facilmente rilevabile con SPIRou.

Tau Bootis b è un pianeta 6,24 volte più massiccio di Giove e otto volte più vicino alla sua stella madre di quanto Mercurio sia al Sole. Situato a soli 51 anni luce dalla Terra e il 40% più massiccio del Sole, la sua stella, Tau Bootis, è una delle stelle portatrici di pianeti più luminose conosciute, ed è visibile ad occhio nudo nella costellazione di Bootes.

Tau Bootis b è stato uno dei primi pianeti extrasolari mai scoperti, nel 1996, grazie al metodo della velocità radiale, che rileva il leggero movimento avanti e indietro di una stella generato dall'attrazione gravitazionale del suo pianeta. La sua atmosfera era stata studiata una manciata di volte prima, ma mai con uno strumento potente come SPIRou per rivelarne il contenuto molecolare.

Alla ricerca dell'acqua

Supponendo che Tau Bootis b si sia formato in un disco protoplanetario con una composizione simile a quella del nostro Sistema Solare, i modelli mostrano che il vapore acqueo dovrebbe essere presente in grandi quantità nella sua atmosfera. Dovrebbe quindi essere facile rilevarlo con uno strumento come SPIRou.

"Ci aspettavamo un forte rilevamento di acqua, con forse un po' di monossido di carbonio, " ha spiegato Pelletier. "Eravamo, però, sorpreso di trovare il contrario:monossido di carbonio, ma niente acqua."

Il team ha lavorato duramente per assicurarsi che i risultati non potessero essere attribuiti a problemi con lo strumento o con l'analisi dei dati.

"Una volta che ci siamo convinti che il contenuto di acqua era davvero molto più basso del previsto su Tau Bootis b, siamo stati in grado di iniziare a cercare meccanismi di formazione che potessero spiegare questo, ", ha detto Pellettiere.

Studiare i caldi Giove per capire meglio Giove e Saturno

"Giove caldi come Tau Bootis b offrono un'opportunità senza precedenti per sondare la formazione di pianeti giganti", ha detto il co-autore Björn Benneke, un professore di astrofisica e supervisore del dottorato di ricerca di Pelletier presso UdeM. "La composizione del pianeta fornisce indizi su dove e come si è formato questo pianeta gigante".

La chiave per rivelare la posizione e il meccanismo di formazione dei pianeti giganti è impressa nella loro composizione atmosferica molecolare. La temperatura estrema dei caldi Giove consente alla maggior parte delle molecole nelle loro atmosfere di essere in forma gassosa, e quindi rilevabile con gli strumenti attuali. Gli astronomi possono così misurare con precisione il contenuto delle loro atmosfere.

"Nel nostro Sistema Solare, Giove e Saturno sono davvero freddi, " ha detto Benneke. "Alcune molecole come l'acqua sono congelate e nascoste in profondità nelle loro atmosfere; così, abbiamo una conoscenza molto scarsa della loro abbondanza. Lo studio di Giove caldi fornisce un modo per comprendere meglio i nostri pianeti giganti. La bassa quantità di acqua su Tau Bootis b potrebbe significare che anche il nostro Giove è più secco di quanto pensassimo in precedenza".

SPIRou:uno strumento unico

Tau Bootis b è uno dei primi pianeti studiati con il nuovo strumento SPIRou da quando è stato recentemente messo in servizio presso il Canada-France-Hawaii Telescope. Questo strumento è stato sviluppato da ricercatori di diverse istituzioni scientifiche tra cui UdeM.

"Questo spettropolarimetro può analizzare la luce termica del pianeta, la luce emessa dal pianeta stesso, in una gamma di colori senza precedenti, e con una risoluzione che consente l'identificazione di molte molecole contemporaneamente:acqua, monossido di carbonio, metano, ecc." ha detto il coautore e ricercatore iREx Neil Cook, un esperto dello strumento SPIRou.

Il team ha trascorso 20 ore osservando l'esopianeta con SPIRou tra aprile 2019 e giugno 2020.

"Abbiamo misurato l'abbondanza di tutte le principali molecole che contengono carbonio o ossigeno, " disse Pelletier. "Poiché sono i due elementi più abbondanti nell'universo, dopo idrogeno ed elio, che ci dà un quadro molto completo del contenuto dell'atmosfera."

Come la maggior parte dei pianeti, Tau Bootis b non passa davanti alla sua stella mentre orbita intorno ad essa, dal punto di vista della Terra. Però, lo studio delle atmosfere degli esopianeti è stato per lo più limitato ai pianeti "in transito", quelli che causano cali periodici nella luce della loro stella quando ne oscurano parte.

"È la prima volta che otteniamo misurazioni così precise sulla composizione atmosferica di un esopianeta non in transito, " ha detto la dottoranda Caroline Piaulet, coautore dello studio.

"Questo lavoro apre le porte allo studio in dettaglio delle atmosfere di un gran numero di esopianeti, anche quelli che non transitano con la loro stella."

Una composizione simile a Giove

Attraverso la loro analisi, Pelletier e i suoi colleghi sono stati in grado di concludere che la composizione atmosferica di Tau Bootis b ha circa cinque volte più carbonio di quella che si trova nel Sole, grandezze simili a quelle misurate per Giove.

Questo potrebbe suggerire che i Giove caldi potrebbero formarsi molto più lontano dalla loro stella ospite, a distanze simili ai pianeti giganti del nostro Sistema Solare, e hanno semplicemente vissuto un'evoluzione diversa, che includeva una migrazione verso la stella.

"Secondo quanto abbiamo trovato per Tau Bootis b, sembrerebbe che, almeno dal punto di vista compositivo, i caldi Giove potrebbero non essere così diversi dai pianeti giganti del nostro Sistema Solare, dopotutto, " ha concluso Pelletier.